Уравнение гидролиза карбоната аммония по первой ступени

Напишите ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соли (NH4)2CO3. Выведите и рассчитайте Kгидр по 1- и 2-й ступени,

Ваш ответ

решение вопроса

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7/2004

§ 7.3. Соли. Гидролиз
2. Соль образована слабой кислотой и сильным основанием, например ацетат натрия NaCH₃COO, карбонат натрия (сода) Na₂CO₃, нитрит натрия NaNO₂, сульфит натрия Na₂SO₃, сульфид натрия Na₂S, цианид натрия NaCN.
Карбонат натрия диссоциирует:
Na₂CO₃ = 2Na + + .
Гидролизу подвергается карбонат-ион. Гидролиз проходит в две ступени:
+ Н₂О = + ОН – ,
+ Н₂О = Н₂CO₃ + ОН – .
В водном растворе гидролиз по второй ступени не проходит – из раствора соды углекислый газ не выделяется. Чтобы гидролиз прошел по второй ступени, равновесие следует сместить вправо добавлением в раствор кислоты (ионов водорода). Образующаяся при этом неустойчивая угольная кислота распадается на углекислый газ и воду:
Обычно приводимое в учебниках химии уравнение реакции между карбонатом натрия и кислотой с образованием углекислого газа
представляет собой смещенную вправо реакцию гидролиза. Кроме того, это не реакция обмена, а реакция гидролиза, проходящая по второй ступени. Как реакция обмена она протекает при действии газообразного хлороводорода на кристаллический карбонат натрия.
Пример. Рассчитать рН 0,1М раствора карбоната натрия.
Будем считать, что гидролиз проходит только по первой ступени:
+ Н₂О = + ОН – .
После преобразований константы гидролиза получаем:
В этом выражении К_кисл есть константа диссоциации иона :
= + Н + ,
Обратите внимание, что в расчете используется константа диссоциации кислоты H₂CO₃ по второй ступени!
Для угольной кислоты из справочных данных находим:
|
|
|
Н₂СО₃ = + Н + К₁ = 4,31•10 –7 ,
= + Н + К₂ = 5,61•10 –11 .
Эти данные подставляем в формулу:
рОН = –lg 4,22•10 –3 = 2,4,
рН = 14 – рОН = 11,6.
При какой концентрации раствора гидроксида натрия в воде достигается то же значение рН? Рассчитайте. Можно дать приблизительный ответ.
А как быть, если вас попросят написать уравнение гидролиза кислой соли, например гидрокарбоната натрия NaHCO₃? Если вы сразу же напишите уравнение диссоциации соли
NaHCO₃ = Na + + ,
то, очевидно, гидролизу подвергается ион и уравнение гидролиза имеет вид:
+ Н₂О = Н₂СO₃ + ОН – .
Образование неустойчивой угольной кислоты приводит к тому, что уже при слабом нагревании начинается выделение из раствора углекислого газа (тесто с добавленным в него пекарским порошком «поднимается»).
По теории кислот и оснований И.Н.Брёнстеда кислотный ион может быть и кислотой, и основанием в зависимости от того, записано ли уравнение реакции гидролиза или уравнение взаимодействия с ионом водорода:
3. Соль образована слабым основанием и слабой кислотой, например ацетат аммония NH₄CH₃COO, гидрокарбонат аммония NH₄HCO₃, гидросульфит аммония NH₄HSO₃, нитрит аммония NH₄NO₂. Гидролиз такой соли рассмотрим на примере ацетата аммония, диссоциирующего в водном растворе по уравнению
NH₄CH₃COO = + CH₃COO – .
Оба иона этой соли образуют с водой слабые электролиты – гидроксид аммония и уксусную кислоту, поэтому реакцию гидролиза можно описать одним общим уравнением:
+ CH₃COO – + Н₂О = NН₄ОН + СН₃СООН.
В связи с тем, что константы диссоциации уксусной кислоты СН₃СООН и гидроксида аммония NН₄ОН примерно одинаковы, концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов также примерно равны, и поэтому раствор ацетата натрия имеет примерно нейтральную среду, рН 7.
Гидролиз соли (NH₄)₂S, диссоциирующей по уравнению
(NH₄)₂S = 2 + S 2– ,
проходит по двум ступеням:
+ S 2– + Н₂О = NH₄ОН + НS – (1-я ступень),
+ НS – + Н₂О = NH₄ОН + Н₂S (2-я ступень).
В отличие от двух предыдущих вариантов гидролиза (соль образована сильной кислотой и слабым основанием или слабой кислотой и сильным основанием) в данном случае рН раствора не зависит от концентрации соли (но зависит от того, какой из одноименных ионов дополнительно введен в раствор).
4. Соль образована сильным основанием и сильной кислотой. Такая соль и ее ионы гидролизу не подвергаются. Примеры таких солей: хлорид натрия NaCl, сульфат натрия Na₂SO₄,
нитрат натрия NaNO₃.
Растворы таких солей почти нейтральны, рН 7. Среда таких солей может быть слегка кислотной или слегка основной из-за других эффектов, связанных с поведением растворов сильных электролитов.
Выражения константы гидролиза включают ионное произведение воды и константы диссоциации образующихся слабых электролитов. При повышении температуры ионное произведение воды в значительно большей степени возрастает по сравнению с константами диссоциации слабых кислот и оснований. В связи с этим константа гидролиза должна возрастать, показывая, что равновесие гидролиза смещается вправо, в сторону продуктов (гидролиз сопровождается поглощением теплоты, Н > 0). Нагреванием удается сместить равновесие гидролиза вправо.
Часто смещение равновесия гидролиза вправо можно вызвать удалением продуктов реакции. При нагревании раствора сульфида аммония (NH₄)₂S растворимость аммиака NH₃ и сероводорода H₂S в воде понижается, они уходят из сферы реакции (в лабораторной практике гидролиз проходит в открытых системах), и равновесие гидролиза резко смещается вправо.
Гидролиз, сопровождающийся удалением продуктов из зоны реакции (газ или осадок), часто условно называют необратимым гидролизом (не в термодинамическом смысле!).
Сульфид алюминия Al₂S₃ в водном растворе существовать не может, получить его взаимодействием ионов алюминия и сульфид-ионов не удается. При сливании растворов хлорида алюминия и сульфида натрия выпадает осадок гидроксида алюминия Al(OH)₃ и выделяется сероводород H₂S. Сульфид алюминия можно получить реакцией между металлическим алюминием (опилки, порошок) и серой (порошок). Если полученное кристаллическое вещество Al₂S₃ поместить в воду, то протекает реакция гидролиза:
При сливании растворов хлорида алюминия и сульфида натрия проходит реакция
Примером необратимого гидролиза можно считать реакции карбидов кальция и алюминия с водой при получении ацетилена и метана соответственно:
С практической и теоретической точек зрения важно обсудить вопрос о среде фосфатов натрия. Раствор фосфата натрия Na₃PO₄ (0,1М) имеет основную реакцию с рН 12, что объясняется гидролизом фосфат-иона:
+ Н₂О = + ОН – .
Раствор Na₂HPO₄ (0,1М) также имеет основную среду с рН 9,5, что объясняется одновременным протеканием двух процессов:
1) гидролиз иона:
+ Н₂О = + ОН – ;
2) диссоциация иона как слабой кислоты:
= Н + + .
Количества ионов Н + и ОН – , образующихся по этим двум реакциям, примерно одинаковы, поэтому среда раствора близка к нейтральной.
Раствор NaH₂PO₄ (0,1М) имеет кислотную среду раствора с рН 4,5, что объясняется преимущественной диссоциацией иона :
= Н + +.
Следовательно, при объяснении среды таких растворов, как по-разному замещенные фосфаты натрия, необходимо учитывать и гидролиз соли, и ее диссоциацию.
Рассмотренный выше сокращенный молекульно-ионный способ написания уравнений гидролиза, например:
Al 3+ + H₂O = AlOH 2+ + H + ,
удобен для вычисления константы гидролиза, рН раствора и концентраций ионов. Однако в водном растворе все катионы гидратированы, причем связи шести ближайших молекул воды с катионом довольно прочные, уравнение реакции гидролиза правильнее записывать так:
Координационное число иона алюминия, равное шести, в этом процессе сохраняется. Можно записать это уравнение по-другому, если ион гидроксония заменить на ион водорода:
Это уравнение отражает не гидролиз, а диссоциацию комплексного иона [Al(H₂O)₆] 3+ как слабой кислоты.
Этот пример ярко показывает, что одно и то же явление может быть объяснено по-разному, в зависимости от уровня наших знаний и целей описания.
Напишите уравнения дальнейшей диссоциации иона [Al(H₂O)₆] 3+ , помня, что гидроксид алюминия Al(ОН)₃ выпадает в осадок.
Список новых и забытых понятий и слов

Гидролиз

Темы кодификатора ЕГЭ: Гидролиз солей. Среда водных растворов: кислая, основная и щелочная.

Гидролиз – взаимодействие веществ с водой. Гидролизу подвергаются разные классы неорганических и органических веществ: соли, бинарные соединения, углеводы, жиры, белки, эфиры и другие вещества. Гидролиз солей происходит, когда ионы соли способны образовывать с Н + и ОН — ионами воды малодиссоциированные электролиты.

Гидролиз солей может протекать:

→ обратимо : только небольшая часть частиц исходного вещества гидролизуется.

→ необратимо : практически все частицы исходного вещества гидролизуются.

Для оценки типа гидролиза необходимо рассмотреть соль, как продукт взаимодействия основания и кислоты. Любая соль состоит из металла и кислотного остатка. Металлы соответствует основание или амфотерный гидроксид (с той же степенью окисления, что и в соли), а кислотному остатку — кислота. Например, карбонату натрия Na₂CO₃ соответствует основание — щелочь NaOH и угольная кислота H₂CO₃.

Обратимый гидролиз солей

Механизм обратимого гидролиза будет зависеть от состава исходной соли. Можно выделить 4 основных варианта, которые мы рассмотрим на примерах:

1. Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой , гидролизуются ПО АНИОНУ .

CH₃COONa + HOH ↔ CH₃COOH + NaOH

CH₃COO — + Na + + HOH ↔ CH₃COOH + Na + + OH —

сокращенное ионное уравнение:

CH₃COO — + HOH ↔ CH₃COOH + OH —

Таким образом, при гидролизе таких солей в растворе образуется небольшой избыток гидроксид-ионов OH — . Водородный показатель такого раствора рН>7 .

Гидролиз солей многоосновных кислот (H₂CO₃, H₃PO₄ и т.п.) протекает ступенчато, с образованием кислых солей:

CO₃ 2- + HOH ↔ HCO₃ 2- + OH —

или в молекулярной форме:

Продукты гидролиза по первой ступени подавляют вторую ступень гидролиза, в результате вторая ступень гидролиза протекает незначительно.

2. Соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой , гидролизуются ПО КАТИОНУ . Пример такой соли: NH₄Cl, FeCl₃, Al₂(SO₄)₃ Уравнение гидролиза:

или в молекулярной форме:

При этом катион слабого основания притягивает гидроксид-ионы из воды, а в растворе возникает избыток ионов Н + . Водородный показатель такого раствора рН .

Соли, образованные многокислотными основаниями, гидролизуются ступенчато, образуя катионы основных солей. Например:

Fe 3+ + HOH ↔ FeOH 2+ + H +

FeCl₃ + HOH ↔ FeOHCl₂ + H Cl

FeOH 2+ + HOH ↔ Fe(OH)₂ + + H +

FeOHCl₂ + HOH ↔ Fe(OH)₂Cl+ HCl

Fe(OH)₂ + + HOH ↔ Fe(OH)3 + H +

Fe(OH)₂Cl + HOH ↔ Fe(OH)₃ + HCl

Гидролиз по второй и, в особенности, по третьей ступени практически не протекает при комнатной температуре.

3. Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой , гидролизуются И ПО КАТИОНУ, И ПО АНИОНУ .

В этом случае реакция раствора зависит от соотношения констант диссоциации образующихся кислот и оснований. В большинстве случаев реакция раствора будет примерно нейтральной, рН ≅ 7 . Точное значение рН зависит от относительной силы основания и кислоты.

4. Гидролиз солей, образованных сильным основанием и сильной кислотой , в водных растворах НЕ ИДЕТ .

Сведем вышеописанную информацию в общую таблицу:

Необратимый гидролиз

Необратимый гидролиз происходит, если при гидролизе выделяется газ, осадок или вода, т.е. вещества, которые при данных условиях не могут взаимодействовать между собой. Необратимый гидролиз является химической реакцией, т.к. реагирующие вещества взаимодействуют практически полностью.

Варианты необратимого гидролиза:

Гидролиз, в который вступают растворимые соли 2х-валентных металлов (Be 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Pb 2+ , Cu 2+ и др.) с сильным ионизирующим полем (слабые основания) и растворимые карбонаты/гидрокарбонаты. При этом образуются нерастворимые основные соли (гидроксокарбонаты):

! Исключения: (соли Ca, Sr, Ba и Fe 2+ ) – в этом случае получим обычный обменный процесс:

МеCl₂ + Na₂CO₃ = МеCO₃ + 2NaCl (Ме – Fe, Ca, Sr, Ba).

Взаимный гидролиз , протекающий при смешивании двух солей, гидролизованных по катиону и по аниону. Продукты гидролиза по второй ступени усиливают гидролиз по первой ступени и наоборот. Поэтому в таких процессах образуются не просто продукты обменной реакции, а продукты гидролиза (совместный или взаимный гидролиз). Соли металлов со степенью окисления +3 (Al 3+ , Cr 3+ ) и соли летучих кислот (карбонаты, сульфиды, сульфиты) при смешивании в растворе (взаимном гидролизе) образуют осадок гидроксида и газ (H₂S, SO₂, CO₂):

Соли Fe 3+ при взаимодействии с карбонатами также при смешивании в растворе (взаимном гидролизе) образуют осадок гидроксида и газ:

! Исключения: при взаимодействии солей трехвалентного железа с сульфидами реализуется окислительно-восстановительная реакция:

2FeCl₃ + 3K₂S_(изб) = 2FeS + S↓ + 6KCl (при избытке сульфида калия)

При взаимодействии солей трехвалентного железа с сульфитами также реализуется окислительно-восстановительная реакция.

Полные уравнения таких реакций выглядят довольно сложно. Поначалу я рекомендую составлять такие уравнения в 2 этапа: сначала составляем обменную реацию без участия воды, затем разлагаем полученный продукт обменной реакции водой. Сложив эти две реакции и сократив одинаковые вещества, мы получаем полное уравнение необратимого гидролиза.

3. Гидролиз галогенангидридов и тиоангидридов происходит также необратимо. Галогенангидриды разлагаются водой по схеме ионного обмена (H + OH — ) до соответствующих кислот (в случае водного гидролиза) и солей (в случае щелочного гидролиза). Степень окисления центрального элемента и остальных при этом не изменяется!

Галогенангидрид – это соединение, которое получается, если в кислоте ОН-группу заменить на галоген. При гидролизе галогенангидридов кислот образуются соответствующие данным элементам и степеням окисления кислоты и галогеноводородные кислоты.

Галогенангидриды некоторых кислот:

Кислота	Галогенангидриды
H₂SO₄	SO₂Cl₂
H₂SO₃	SOCl₂
H₂CO₃	COCl₂
H₃PO₄	POCl_3, PCl₅

Тиоангидриды (сульфангидриды) — так называются, по аналогии с безводными окислами (ангидридами), сернистые соединения элементов (например, Sb₂S₃, As₂S₅, SnS₂, CS₂ и т. п.).

Необратимый гидролиз бинарных соединений, образованных металлом и неметаллом:

сульфиды трехвалентных металлов вводе необратимо гидролизуются до сероводорода и и гидроксида металла:

при этом возможен кислотный гидролиз, в таком случае образуются соль металла и сероводород:

гидролиз карбидов приводит к образованию гидроксида металла в водной среде, соли металла в кислой де и соответствующего углеводорода — метана, ацетилена или пропина:

Некоторые соли необратимо гидролизуются с образованием оксосолей :

BiCl₃ + H₂O = BiOCl + 2HCl,

SbCl₃ + H₂O = SbOCl + 2HCl.

Алюмокалиевые квасцы:

Количественно гидролиз характеризуется величиной, называемой степенью гидролиза .

Степень гидролиза (α) — отношение количества (концентрации) соли, подвергающейся гидролизу, к общему количеству (концентрации) растворенной соли. В случае необратимого гидролиза α≅1.

Факторы, влияющие на степень гидролиза:

1. Температура

Гидролиз — эндотермическая реакция! Нагревание раствора приводит к интенсификации процесса.

Пример : изменение степени гидролиза 0,01 М CrCl₃ в зависимости от температуры:

2. Концентрация соли

Чем меньше концентрация соли, тем выше степень ее гидролиза.

Пример : изменение степени гидролиза Na₂CO₃ в зависимости от температуры:

По этой причине для предотвращения нежелательного гидролиза хранить соли рекомендуется в концентрированном виде.

3. Добавление к реакционной смеси кислоты или щелочи

Изменяя концентрация одного из продуктов, можно смещать равновесие реакции гидролиза в ту или иную сторону.

источники:

http://him.1sept.ru/article.php?ID=200401103

http://chemege.ru/gidroliz/